بحث عن الفيزياء الحيوية

مقدمة البحث

الحمد لله الذي أتقن كل شيء صنعه، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن جسم الإنسان وسائر الكائنات الحية آلات بديعة تعمل وفق قوانين الفيزياء التي وضعها الخالق سبحانه، ففي العين قوانين الضوء والعدسات، وفي القلب قوانين الضغط والسوائل، وفي الحركة قوانين الرافعات والقوى، وفي الأعصاب قوانين الكهرباء. ومن هنا نشأ علم يجمع بين علمين هو الفيزياء الحيوية، الذي يستخدم مفاهيم الفيزياء وأدواتها لتفسير ظواهر الحياة. وفي هذا البحث نتعرف على هذا العلم وتطبيقاته.

تعريف الموضوع

الفيزياء الحيوية علم متداخل التخصصات يطبق مبادئ الفيزياء وطرقها على الكائنات الحية وأنظمتها، من الجزيئات والخلايا إلى الأعضاء والجسم كله. فهو يدرس مثلًا كيف ينتقل الماء عبر أغشية الخلايا، وكيف تنتقل الإشارات الكهربائية في الأعصاب، وكيف يدور الدم في الأوعية بتأثير الضغط، وكيف تعمل عضلاتنا وعظامنا كأنظمة من الرافعات. ويرتبط هذا العلم ارتباطًا وثيقًا بالأحياء والطب والهندسة.

أهمية الموضوع

تكمن أهمية الفيزياء الحيوية في أنها تفسر كيف تعمل أجسامنا، وتساعد على تطوير الأجهزة الطبية التشخيصية والعلاجية كجهاز الأشعة السينية والموجات فوق الصوتية والرنين المغناطيسي وتخطيط القلب والنظارات والأطراف الصناعية. كما تسهم في فهم الأمراض وتصميم العلاجات، وتفتح أمام الطلاب مجالات واسعة للدراسة الجامعية في الهندسة الطبية والفيزياء الطبية.

أهداف البحث

• التعرف على مفهوم الفيزياء الحيوية وعلاقتها بالعلوم الأخرى.
• تفسير بعض وظائف جسم الإنسان بقوانين الفيزياء.
• التعرف على الأجهزة الطبية التي تعتمد على مبادئ فيزيائية.
• حل أمثلة بسيطة تربط الفيزياء بالجسم.

أولًا: الميكانيكا الحيوية: العظام والعضلات رافعات

تعمل العظام والمفاصل والعضلات في جسم الإنسان كأنظمة من الرافعات، وهي أداة بسيطة تتكون من ذراع يدور حول نقطة ارتكاز. وللرافعة ثلاثة أنواع بحسب مواضع نقطة الارتكاز والقوة والمقاومة:

ومعظم عظام الجسم رافعات من النوع الثالث، فهي لا تضخم القوة لكنها تزيد السرعة ومدى الحركة. ويعتمد اتزان الجسم على مركز الثقل، فكلما اتسعت قاعدة الارتكاز وانخفض مركز الثقل زاد الثبات، ولهذا نفرج بين أقدامنا عندما نريد الثبات.

ثانيًا: ضغط الدم والسوائل

يضخ القلب الدم في الأوعية الدموية، وهو يعمل كمضخة تولد ضغطًا يدفع الدم إلى جميع أجزاء الجسم. ويُقاس ضغط الدم بجهاز يسمى مقياس الضغط، ويُعبَّر عنه برقمين: الانقباضي وهو الضغط أثناء انقباض القلب، والانبساطي وهو الضغط أثناء استرخائه. ويستفيد الأطباء من مبادئ الموائع في دراسة سرعة جريان الدم وتأثير ضيق الأوعية، فكلما ضاق الوعاء زادت سرعة جريان الدم فيه، وزاد الجهد على القلب.

ومن القوانين المتصلة بذلك قانون الضغط الذي ينص على أن:

P = F / A

أي أن الضغط يساوي القوة مقسومة على المساحة. ولهذا فإن حذاء الثلج العريض يمنع غرز القدم، والإبرة الدقيقة تخترق الجلد بسهولة لأن مساحتها صغيرة جدًا.

مثال: إذا كانت قوة مقدارها ستون نيوتن تؤثر على مساحة مقدارها عشرة سنتيمترات مربعة، أي واحد من ألف من المتر المربع، فما الضغط؟

P = 60 ÷ (1 ÷ 1000) = 60000 Pa

ثالثًا: الفيزياء والبصر

العين البشرية جهاز بصري معقد تعمل فيه القرنية والعدسة كعدسة محدبة تجمع الأشعة الضوئية وتكوّن صورة على الشبكية في مؤخرة العين. وتعمل الأعصاب على نقل هذه الصورة إلى الدماغ. وتُصحح عيوب الإبصار بعدسات مناسبة:

• قصر النظر: تتكون الصورة أمام الشبكية، ويُعالج بعدسة مقعرة تفرّق الأشعة.
• طول النظر: تتكون الصورة خلف الشبكية، ويُعالج بعدسة محدبة تجمع الأشعة.
• الاستجماتزم: انحناء غير منتظم في القرنية ويُعالج بعدسة أسطوانية.

رابعًا: الفيزياء والسمع

تستقبل الأذن الموجات الصوتية فيهتز طبل الأذن وتنتقل الاهتزازات عبر عظيمات الأذن الوسطى إلى القوقعة التي تحول الاهتزاز إلى إشارات عصبية يفسرها الدماغ. ويسمع الإنسان الأصوات التي يتراوح ترددها تقريبًا بين عشرين هرتز وعشرين ألف هرتز، وأما الصوت الأعلى من ذلك فيسمى فوق صوتي، وهو الذي تستفيد منه أجهزة التصوير الطبي في فحص الجنين وأعضاء الجسم دون ضرر.

خامسًا: الكهرباء في الجسم

تنتقل الإشارات العصبية في الجسم على هيئة نبضات كهربائية صغيرة تنتج عن حركة أيونات الصوديوم والبوتاسيوم عبر غشاء الخلية العصبية. وفي القلب خلايا خاصة تولد إشارة كهربائية منتظمة تنظم النبض. ويقيس جهاز تخطيط القلب هذه الإشارات ويسجلها على ورقة أو شاشة، ويستفيد الطبيب منها في معرفة سلامة القلب. ويقيس جهاز تخطيط الدماغ نشاط الدماغ الكهربائي بالطريقة نفسها.

سادسًا: الأجهزة الطبية وفيزياؤها

سابعًا: الفيزياء الحيوية في الطبيعة

لا تقتصر الفيزياء الحيوية على جسم الإنسان، ففي الطبيعة أمثلة كثيرة تدل على إبداع الخلق: كيف تطير الطيور مستفيدة من شكل أجنحتها وفرق الضغط بين السطح العلوي والسفلي، وكيف تسبح الأسماك بجسمها الانسيابي، وكيف تحدد الخفافيش مواقع الأشياء بالصدى فوق الصوتي، وكيف تتحمل الجمال الحرارة والرمال بخفاف عريضة توزع الوزن على مساحة كبيرة. وقد استلهم العلماء من هذه الأمثلة ابتكارات هندسية كثيرة.

الخاتمة

تبين لنا من هذا البحث أن الفيزياء الحيوية علم يفسر وظائف الكائنات الحية بقوانين الفيزياء، فالعظام رافعات والقلب مضخة والعين عدسة والأعصاب أسلاك كهربائية دقيقة، وأن كثيرًا من الأجهزة الطبية الحديثة قامت على فهم هذه القوانين. وهذا يدعونا إلى التفكر في عظمة الخالق وإلى الاهتمام بالعلوم التطبيقية التي تخدم صحة الإنسان. والحمد لله رب العالمين.

المراجع

• كتاب الفيزياء وكتاب الأحياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• الفيزياء الجامعية، لهيو يونغ وروجر فريدمان.
• الفيزياء في الطب والأحياء، من الكتب الجامعية المعتمدة في الفيزياء الطبية.
• الموسوعة العربية العالمية.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الفيزياء الحيوية